Способ литья алюминиевых сплавов
Владельцы патента RU 2532648:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (национальный исследовательский университет) (ФГБОУ ВПО "ЮУрГУ" (НИУ)) (RU)
Изобретение относится к области литейного производства. Способ включает сборку моделей и элементов литниковой системы, нанесение газопроницаемого противопригарного покрытия на модель, формовку модели в литейной форме в песке и заливку литейной формы металлом. Противопригарное покрытие, обладающее повышенной газопроницаемостью и минимальной газотворностью, имеет следующий состав, мас.%: водный раствор алюмоборфосфатного концентрата 60-65; периклаз порошкообразный 1,5-2,0; циклонная пыль шамотного производства - остальное. Покрытие наносят толщиной 0,06…0,09 мм с одновременным воздействием на него ультразвуком интенсивностью 5-10 Вт/см2. Обеспечивается улучшение литейных и физико-механических свойств алюминиевых сплавов и повышение качества получаемых отливок ответственного назначения. 3 табл., 2 пр.
Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к литейному производству алюминиевых сплавов по газифицируемым моделям, и может быть использовано в авиационной технике и автомобилестроении.
Известен способ литья алюминиевых сплавов (RU 1764768, B22C 9/00, опубл. 30.09.1992), который включает сборку моделей и элементов литниковой системы, имеющих пустотелые полости и газоотводные каналы, нанесение противопригарной краски, формовку в песке, вакуумирование литейной формы и заливку ее металлом при переменном давлении газа над металлом, дважды понижают ниже атмосферного: в начале и в конце заполнения формы металлом. При этом над залитой полостью форм поддерживают избыточное давление газа, превышающее давление на противопригарную краску, но ниже металлостатического давления в форме. Причем в этом случае наносят противопригарную газонепроницаемую краску.
Наиболее близким по технической сущности является способ литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) алюминиевых сплавов (RU 2285577, B22C 9/04, опубл. 20.10.2006), включающий сборку моделей и литниковой системы, нанесение на модель газопроницаемого противопригарного покрытия толщиной 0,1-0,3 мм, состоящего, мас.%: 2%-ный раствор поливинилбутираля в изопропиловом спирте 38-49, олифа 1-2, маршалит - остальное. Хотя указанный прототип и создает определенные условия для снижения пористости и некоторого увеличения механических характеристик отливок из алюминиевых сплавов, он имеет следующий ряд существенных недостатков:
- состав противопригарного покрытия, хотя и является газопроницаемым, но однако обладает повышенной газотворной способностью (спиртовой раствор ПВБ), что может вызвать склонность к образованию газовых раковин в отливках, получаемых методом литья по газифицируемым моделям;
- входящий в состав противопригарного покрытия спирт является пожароопасным материалом, а отверждение покрытия, основанное на удалении этого растворителя, требует наличия сушила с определенным температурно-временным режимом, что существенно ухудшает технологичность этой операции в литье по газифицируемым моделям;
- способ литья алюминиевых сплавов в прототипе не позволяет коренным образом уменьшить толщину противопригарного покрытия, в результате чего фильтрация газов через него в литье по газифицируемым моделям протекает кинетически более сложно и может вызвать образование литейных дефектов (недоливы, неметаллические включения, газовые раковины и др.), в особенности для сложнопрофильных тонкорельефных отливок ответственного назначения;
- способ литья алюминиевых сплавов прототипа не обеспечивает в должной степени модифицирование и легирование отливок, а следовательно, не позволяет существенно улучшить физико-механические свойства, в том числе при высоких температурах, и качество литых заготовок для возрастающих нужд аэрокосмического комплекса и машиностроения.
Изобретение решает задачу улучшения литейных и физико-механических свойств алюминиевых сплавов и повышения качества получаемых из них литьем по газифицируемым моделям отливок ответственного назначения за счет противопригарного покрытия минимальной толщины, обладающего пониженной газотворностью и увеличенной газопроницаемостью, а также модифицирующим и легирующим воздействием на литейные алюминиевые сплавы.
Это достигается тем, что в способе литья алюминиевых сплавов по газифицируемым моделям, включающем сборку моделей и элементов литниковой системы, нанесение газопроницаемого противопригарного покрытия на модель, формовку модели в литейной форме в песке, заливку литейной формы металлом, согласно изобретению на модель наносят химически отверждаемое противопригарное покрытие толщиной 0,06-0,09 мм с повышенной газопроницаемостью и минимальной газотворностью следующего состава, мас.%:
| водный раствор алюмоборфосфатного концентрата | 60-65 |
| периклаз порошкообразный | 1,5-2,0 |
| циклонная пыль шамотного производства | остальное, |
при этом при нанесении покрытия на модель на него одновременно воздействуют ультразвуком интенсивностью 5-10 Вт/см2.
Противопригарное покрытие указанного состава является химически твердеющим и обеспечивает высокую технологичность операции нанесения покрытия на газифицируемую модель.
Покрытие минимальной толщиной 0,06-0,09 мм за счет явления «разжижения» покрытия под действием ультразвука интенсивностью 5-10 Вт/см2 создает условия для существенного повышения газопроницаемости, что актуально для литья по газифицируемым моделям.
Применение в составе покрытия алюмоборфосфатного концентрата вызывает диффузионное насыщение алюминиевых сплавов бором, что положительно влияет на физико-механические свойства отливок.
Таким образом, покрытие обеспечивает противопригарное и упрочняющее действие на отливки из алюминиевых сплавов, тем самым существенно повышая качество их изготовления литьем по газифицируемым моделям.
Способ осуществляется следующим образом.
Для получения отливок из алюминиевого сплава способом литья по газифицируемым моделям производят сборку моделей и элементов литниковой системы. На собранные модели наносят газопроницаемое противопригарное покрытие указанного состава. При подготовке покрытия в водный раствор АБФК засыпают циклонную пыль шамотного производства и перемешивают указанные ингредиенты в течение 10-30 мин до образования однородной суспензии. Затем вводят порошкообразный периклаз, перемешивают 1,5-2 мин. Во время нанесения покрытия на блок моделей воздействуют на указанную систему ультразвуком интенсивностью 5-0 Вт/см2. Для этого в ультразвуковую ванну заливают соответствующую суспензию и при воздействии ультразвуком окунают в нее подготовленный блок моделей. Толщина получаемого покрытия - 0,06-0,09 мм. Продолжительность химического отверждения покрытия - 20-30 мин. Затем производят формовку модели в литейной форме в песке. Вакуумируют форму (разрежение 60-120 кПа) и заливают ее алюминиевым сплавом.
Количество водного раствора АБФК в покрытии - 60-65 мас.% обеспечивает требуемую текучесть противопригарного покрытия сложнопрофильной поверхности газифицируемых моделей. Количество порошкообразного периклаза 1,5-2,0% диктуется необходимостью затвердевания покрытия в пределах 20-30 минут (технологически оптимальное время).
Циклонная пыль шамотного производства является отходом производства шамотных изделий и, учитывая его дисперсность (средний размер частиц 5-10 мкм), химический и фазовый составы (оксиды алюминия и кремния, муллит), обладает эффективным противопригарным действием по отношению к заливаемым сплавам. Оптимальное количество циклонной пыли шамотного производства в покрытии диктуется необходимостью получения его требуемой толщины, обеспечивающей минимальную газотворность и максимальную газопроницаемость покрытия.
Интенсивность ультразвукового воздействия при нанесении покрытия на модель 5-10 Вт/см2 обеспечивает эффект «разжижения» покрытия, уменьшение его толщины по сравнению с прототипом до величины 0,06-0,09 мм, а следовательно, повышение его газопроницаемости и улучшение качества изготовления отливок способом литья по газифицируемым моделям.
При интенсивности меньше чем 5 Вт/см2 воздействие на указанную систему малоэффективно. При увеличении интенсивности больше 10 Вт/см2 существенно возрастают энергетические затраты.
Пример 1. Для получения отливок из алюминиевых сплавов АЛ4МС и АЛ32 по газифицируемым моделям производили сборку модели и элементов литниковой системы с газоотводными каналами. На собранные модели наносили газопроницаемые противопригарные покрытия, составы которых приведены в таблице 1.
| Таблица 1 | ||||
| Составы противопригарных покрытий | ||||
| Наименование ингредиентов | Количество ингредиентов в покрытии, мас.% | |||
| Прототип | Заявленный способ | |||
| Состав 1 | Состав 2 | Состав 3 | ||
| 1. 20%-ный раствор ПВБ в изопропиловом спирте | 45 | - | - | - |
| 2. Олифа | 2 | - | - | - |
| 3. Пылевидный кварц | Ост. | - | - | - |
| 4. Водный раствор АБФК | - | 60 | 63 | 65 |
| 5. Периклаз порошкообразный | - | 1,5 | 1,8 | 2,0 |
| 6. ЦПШП | - | Ост. | Ост. | Ост. |
При использовании составов по заявленному способу после введения порошкообразного периклаза и перемешивания в течение двух минут воздействовали на указанную систему ультразвуком интенсивностью 7 Вт/см2 при непосредственном нанесении на модель покрытия. Сравнительные показатели способов литья алюминиевых сплавов (прототипа и заявленного способа) представлены в таблице 2.
| Таблица 2 | ||||
| Сравнительные показатели способов литья алюминиевых сплавов | ||||
| Наименование показателей | Прототип | Заявленный способ при разных составах покрытия | ||
| Состав 1 | Состав 2 | Состав 3 | ||
| 1. Газотворность покрытия, см3/г | 22 | 3 | 4,5 | 5 |
| 2. Газопроницаемость покрытия, ед | 5 | 15 | 22 | 25 |
| 3. Продолжительность затвердевания покрытия, мин | 50 | 30 | 27 | 20 |
| 4. Толщина покрытия, мм | 0,3 | 0,08 | 0,087 | 0,09 |
| 5. Прочность отливки из сплава АЛ4МС (σВ-1), МПа | 385 | 420 | 429 | 433 |
| 6. Относительное удлинение отливки из сплава АЛ4МС (δ1), % | 3 | 9 | 8 | 5 |
| 7. Прочность отливки из сплава АЛ4МС при 300°C (σT B-1), МПа | 310 | 410 | 418 | 425 |
| 8. Прочность отливки из сплава АЛ32 (σВ-2), МПа | 280 | 320 | 328 | 335 |
| 9. Относительное удлинение отливки из сплава АЛ32 (δ2), % | 3 | 10 | 7 | 6 |
| 10. Прочность отливки из сплава АЛ32 при 300°C (σT B-2), МПа | 225 | 315 | 318 | 330 |
В таблице 2 приведены механические свойства образцов, вырезанных из отливок из сплавов системы Al-Si-Cu-Mg, отлитых по предлагаемому способу и по способу-прототипу.
Механические свойства определялись после термообработки по режиму Т5 для сплава АЛ4МС: нагрев под закалку 3-ступенчатый при температуре 490°C - 4 ч + 500°C - 4 ч + 510°C - 6 ч, закалка в воде 20°C, старение при 160°C - 10 ч, охлаждение на воздухе; для сплава АЛ32 нагрев под закалку 2-ступенчатый при температуре 505°C - 4 ч + 515°C - 6 ч, закалка в воде 20°C, старение при 150°C - 10 ч, охлаждение на воздухе.
Пример 2. Изготовление отливок из сплава АЛ32 по газифицируемым моделям осуществляли аналогично примеру 1, варьируя при нанесении газопроницаемого противопригарного покрытия на модели интенсивность ультразвука 5; 8; 10 Вт/см2. Использовали состав 2 из табл.1. Влияние интенсивности ультразвука на свойства противопригарного покрытия и отливок представлено в табл.3.
Воздействие УЗ интенсивностью 5-10 Вт/см2 обеспечивает изменение тиксотропных свойств покрытия, уменьшение его вязкости и толщины, обеспечивающей повышение газопроницаемости покрытия, что представляется актуальным в ЛГМ.
| Таблица 3 | |||
| Влияние интенсивности ультразвука на свойства противопригарного покрытия и отливок | |||
| Наименование свойств | Заявленный способ при интенсивности УЗ, Вт/см2 | ||
| 5 | 8 | 10 | |
| 1. Толщина покрытия, мм | 0,08 | 0,068 | 0,06 |
| 2. Газотворность покрытия, см3/г | 3 | 2 | 1 |
| 3. Газопроницаемость покрытия, ед | 28 | 38 | 42 |
| 4. Прочность отливки из сплава АЛ32 (σB-3), МПа | 321 | 328 | 344 |
| 5. Относительное удлинение отливки из сплава АЛ32 (δ3), % | 12 | 7 | 6 |
Из примеров следует, что для отливок из алюминиевых сплавов, полученных по предлагаемому способу, существенно улучшаются физико-механические свойства и качество их изготовления литьем по газифицируемым моделям.
Учитывая повышенные физико-механические свойства получаемых отливок из алюминиевых сплавов, заявленный способ их изготовления может быть с успехом применен практически в любых отечественных и зарубежных цехах литья по газифицируемым моделям.
Способ литья алюминиевых сплавов по газифицируемым моделям, включающий сборку моделей и элементов литниковой системы, нанесение газопроницаемого противопригарного покрытия на модель, формовку модели в литейной форме в песке, заливку литейной формы металлом, отличающийся тем, что на модель наносят химически отверждаемое противопригарное покрытие толщиной 0,06-0,09 мм с повышенной газопроницаемостью и минимальной газотворностью следующего состава, мас.%:
| водный раствор алюмоборфосфатного концентрата | 60-65 |
| периклаз порошкообразный | 1,5-2,0 |
| циклонная пыль шамотного производства | остальное, |
при этом при нанесении на модель покрытия на него одновременно воздействуют ультразвуком интенсивностью 5-10 Вт/см2.
